سازه های فضاکار ( space frame )

سازه فضاکار

سازه فضاکار معادل سه بعدی یک خرپای مسطح است.سازه فضاکار مانند خرپاها،سختی و مقاومت خود را در برابر بار وارده از طریق هندسه مثلثی به دست می آورد.سازه های فضاکار در ساده ترین فرم یک چهار وجهی را تشکیل می دهند.اگر چه مدول پایه برای بیشتر سازه های فضاکار مورد استفاده،نیمه هشت وجهی است.مد.ل های هرمی با قاعده مربع یا چهار وجهی ها(هرم با قاعده مثلث) با تقاطع اعضا شکل می گیرند.تا یک پلان سازه ای قابل استفاده را تشکیل دهند.

سازه های فضاکار نوعی سیستم سازه ای سبک و پر بازده برای پوشش دهانه های بزرگ بوده و عضوها و اتصالات تکراری دارند.که به سهولت در کارخانه تولید شده و در محل،مونتاژ و نصب می شوند.در حالی که سازه های فضاکار به طور کلی در برابر بارهای خارجی ،مانند دال ها مقاومت خمشی تامین می کنند،اما هر یک از اعضا به تنهایی فشار و کشش ساده شبیه به یک خرپا دارند.خمش و برش که در دال ها اتفاق می افتد،به فشار و کشش ساده در هر یک از اعضای سازه ی فضاکار تا زمانی که بارهای خارجی در اتصالات وارد شود،تبدیل می شوند.

پیشینه تاریخی

تکامل سازه های فضاکار،بر اساس درک کامل از خرپاهای مسطح (دوبعدی) از اواخر سال 1880 آغاز شد.الکساندر گراهام بل فرم های سه بعدی مثلث را برای تحقیق در مورد توسعه اسکلت هواپیماها به کار برد.اما تا اوایل سال  1940  امتیاز سیستم های یونی استرات و مرو که برای صنعت ساختمان لازم بود ،گرفته شد.

انواع

مصالح

به دلیل وزن سبک و مقاوت سازه های فضاکار به طور عمده از آلومینیوم یا فولاد ساخته می شوند.اگر چه،چوب و حتی بتن مسلح هم استفاده می شود.چوب گاهی اوقات برای پروژه های با دهانه کوچکتر در نظر گرفته می شود.

و بتن مسلح هم ممکن است که برای پروژه های با دهانه بزرگتر و جایی که آتش مساله ای مهم است، در نظر گرفته شود.

فولاد و آلومینیوم در برابر آتش بسیار ضعیف هستند. و کاهش مقاومت دارند و اعضایی که به طور غیر معمول در یک سازه فضاکار کوچک هستند، حساسیت بیشتری دارند.اگرچه توانایی توزیع بار سازه های فضاکار،آسیب پذیری فولاد و آلومینیوم را کم می کند.اگر یک سقف سازه فضاکار افقی بسیار بالاتر از کف باشد،پخش کننده های گرمایی عمودی روی ستون ها قرار داده می شوند.ایده کار بر این است که این صفحات پراکنده کننده،گرمای آتش را در اطراف مناطق بحرانی سازه فضاکار،دقیقا بالای ستون ها ،جایی که بارهای عمودی متمرکز می شوند،کم کند.

آرایش اعضا

بسیاری از منابع علمی این مساله را که تعداد گسترده ای از سازه های فضاکار فرم های سه بعدی مثلثی هستند، تصدیق می کنند.تمامی این آرایش اعضا از نظر فنی متعلق به خانواده بزرگی از سازه ها (سازه های فضاکار ) هستند، که شناخته شده ترین عضو از این خانواده خرپای فضاکار است.خرپاهای فضاکار می توانند به صورت قوس و طاق (برای مثال طراحی نورمن فاستر برای دانشکده حقوق،کمبریج،انگلستان ) و گنبدهای ژئودزیک باشند.

گنبد های ژئودزیک

گنبد های ژئودزیک که در ابتدا به وسیله باک مینستر فولر کشف شد،نیز عضوی از سازه های فضاکار است.به طور کلی آنها اغلب در خانواده گنبد ها قرار می گیرند ،همان طور که آن دسته از سازه های فضاکار که به شکل طاق هستند ،در خانواده طاق قرار می گیرند و در این خانواده به عنوان قوس خرپایی یا طاق مثلثی شده نام گذاری می شوند.

خرپاهای فضاکار

در طبقه بندی سازه های فضاکار  آن دسته که بیشترین استفاده را دارند،خرپاهای فضاکار هستند.که اولین ویژگی آنها را از هم جدا می کند،هندسه لایه های بالا و پایین آن و سپس نحوه اتصالات آنهاست.

بسیاری از چندضلعی ها ممکن است با هم ترکیب شوند تا لایه بالا و پایین یک سازه فضاکار را شکل دهند.در اینجا فقط آن پیکربندی لایه بالا و پایین که در بازار در دسترس هستند ، ارائه شده است.هرم با قاعده مربع و مثلث و لایه های بالا و پایین شش ضلعی به طور گسترده ای استفاده می شوند که از نظر حمل و نقل هم به نسبت ارزان هستند.

مکانیزم اتصالات

چند نوع از اتصالات  که حق امتیاز آنها گرفته شده است،توسعه پیدا کرده اند.سیستم های یونی استرات و مرو بیشترین استفاده را دارند و هم اکنون در دسترس هستند.

موقعیت قرار گیری

سازه های فضاکار به طور گسترده ای در سقف ها استفاده می شوند.بیشتر آنها خرپاهای فضاکار مسطح و افقی هستند.گرچه خرپاهای فضاکار می توانند برای رفع آب باران شیبدار شوند.هم چنین این امکان وجود دارد که خرپاهای فضاکار به عنوان کف های سازه ای و دیوار ها هم استفاده شوند.

استفاده از خرپاهای فضاکار برای پوشش سقف در مکان های ادار ی فضای بیشتری را برای انبوهی از تجهیزات کامپوتر ها و دیگر موارد در اختیار قرار می دهد.اغلب بارهای متمرکز زیادی روی چنین کف هایی قرار نمی گیرد.

معماری و عملکردهای مناسب

تمامی انواع سازه های فضاکار قابلیت پوشش دهانه های بزرگ را دارند.بنابراین خرپاهای فضاکار به طور گسترده ای استفاده می شوند، مانند سقف سالن های بزرگ نمایش ،مکان های ورزشی ،آشیانه های هواپیما،مدارس یک طبقه بزرگ،انبارها و فرودگاه ها .برای نصب صفحات شیشه ای بزرگ از برخی فرم های سازه فضاکار در ساختمان های مدرن و مهم استفاده شده است.

به دلیل سبکی سازه فضاکار و شکل گیری آنها از اعضای کوچک جدا از هم می توان آنها را در هر مکانی ساخت.بنابراین از انها برای برج های انتقال نیرو نیز استفاده می شود.از آنجا که در برابر بادهای ضعیف ،مقاوم اند و بار مرده کمی دارند،می توانند برای برج های رادیویی و تلوزیونی نیز استفاده شوند.که در این نوع استفاده ،برج های لاغر گاهی اوقات به وسیله کابل در برابر نیروهای جانبی ایمن می شوند.به دلیل مقاومت بالای انها در محورهای چندگانه و وزن سبک،سازه های فضاکار برای برج ها و جرثقیل ها نیز استفاده می شوند.

رفتار سازه ای

سازه های فضاکار بارهای گسترده زیادی را تحمل می کنند.ولی نسبت به بارهای متمرکز آسیب پذیرند.به دلیل توانایی توزیع بار در شبکه های سازه های فضاکار ،شکست در یک عضو کوچک در مقایسه با خرپاهای مسطح به ندرت سبب شکست کل سازه می شود.در سالن های نمایش و میدان های ورزشی،اغلب کمترین تعداد ستون ها برای تحمل سازه های فضاکار استفاده شده است.اگر یکی از این ستون ها دچار شکست اشوند،به دنبال آن احتمال شکست کلی سقف وجود دارد،که چنین شکستی بسیاری از تماشاگران را که در این ساختمان ها تجمع می کنند،تهدید می کند.

مسیر انتقال نیرو

مانند دال های مسطح، بارها به وسیله خرپاهای فضاکار جمع شده ،سپس بالای ستون ها متمرکز و از طریق آنها به زمین منتقل می شوند.شبیه به دال ها برش های سوراخ کننده یک تهدید برای خرپاهای فضاکار است.در یک خرپای فضاکار این مساله تا حدودی از طریق حمل بار در اتصالات قابل جلوگیری است.اگرچه،حتی اگر بارهای بزرگی روی یک اتصال متمرکز شوند، ممکن است این بار از ظرفیت تحمل بار یکی از اعضای کوچک مجاور اتصالات بیشتر شود.اگر این اعضا دچار شکست شوند،اغلب در کمانش موضعی یک شکست کلی خرپای فضاکار را تهدید می کند، زیرا تعداد کمی ستون برای تکیه گاه سازه فضاکار به کار برده شده است.برای پرهیز از این مسئله ،نوعی از تکیه گاه های عمودی ساخته می شوند که بارها را بین اتصالات بیشاری از خرپاهای فضاکار تقسیم می کنند.

ساخت و اجرا

تولید صنعتی

خرپاهای فضاکار  از اعضای کوچک و سبک و مشابه ساخته شده اند و این امر،تولید را به صرفه و آسان می کند.در همه سازه های فضاکار تولید کارخانه ای اعضا یک قانون است.حمل و نقل از کارخانه به محل ساختمان یکی از ساده ترین و ارزان ترین مراحل است.

سرعت نصب

تقریبا تمامی اتصالات ساده و مشابه هستند.آموزش و تجربه کاری ضروری نیست و این به معنای مونتاژ سریع در محل ساختمان است.تجهیزات سنگین بالابردن ممکن است نیاز باشد یا نباشد.اگر نیاز باشد،آن بخش از زمان بالابردن بسیار کوتاه است و زمان کار هم کاهش می یابد.اعضای خرپاهای فضاکار به راحتی به یکدیگر متصل می شوند.

نیاز به فضا و تجهیزات سنگین

در حالی که امکان برافراشتن سازه های فضاکار تکه تکه در فضا وجود دارد،ولی بیشتر از همه این روش رایج است که اعضا روی زمین به هم بافته شده و سپس به موقعیت نهایی برده شود.

نیاز به نیروی انسانی کم

تعداد کمی از کارگرها،می توانند یک سازه فضاکار بسیار بزرگ را بلند کنند و این امر نظارت را بسیار آسان می کند.

پوشش

ساختمان های سازه فضاکار اغلب سطوح شیشه ای بسیار بزرگ نیاز دارند.این سطوح ممکن است از نوع نسبتا رایج و مرسوم باشند،ممکن است اعضای سازه ای به عنوان تکیه گاه داشته باشند یا ممکن است از خرپای فضاکار بالا آویزان شوند.

ویژگی های زیبایی شناسی

سازه های فضاکار چنان سبک هستند که می توانند طوری ساخته شوند که گویی در هوا معلق هستند. در بعضی موارد این مسئله از طریق معلق کردن خرپای فضاکار از بالا به وسیله کابل ها انجام می شود.نمیان کردن سازه های فضاکار رایج است  و وقتی چنین کاری انجام می شود،سیستم های مکانیکی و الکتریکی نیز نمایان خواهند بود.شبکه پیچیده سازه فضاکار جذبه بصری برای این سیستم ایجاد می کند.خرپاهای فضاکار دارای نظم پایه ای به دلیل ترکیب مد.لار هستند.اما این نظم پایه ای قوی می تواند سبب برخی تغییرات محدود شود.این تغییرات ، اغلب شامل تغییرات پلان،تفاوت هایی در لبه ها و حذف تعداد کمی از مدول ها به منظور ورود نور طبیعی است.

 گرد آورنده:سارا حسینی

گروه بانیا سازه

منبع:سیستم های ساختمانی-دکتر محمود گلابچی-دکتر کتایون تقی زاده-دکتر محمدرضا گلابچی